JP2019186074A - 触媒層の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有害物質の発生及び触媒層の破損を抑制しつつ、触媒層に識別パターンを形成することができる触媒層の製造方法を提供する。【解決手段】基材シート４に触媒インクを塗工することによって、発電領域１ａ及び非発電領域１ｂを有する触媒層１を形成する形成工程（ステップＳ１２）と、触媒層１を電解質膜２にローラー８を用いて転写する転写工程（ステップＳ１３）と、を備える、触媒層の製造方法であって、形成工程（ステップＳ１２）において、非発電領域１ｂに対応する微細な凹凸領域４ｃが基材シート４に設けられているか、又は、転写工程（ステップＳ２３）において、非発電領域１ｂに対応する凹部８ｃがローラー８に設けられていることによって、非発電領域１ｂに識別パターン１ｃが形成される、触媒層の製造方法。【選択図】図２

Description

本発明は、触媒層の製造方法に関する。

燃料電池用セルは、触媒層や拡散層を備える。近年、燃料電池のロット情報を燃料電池用セル自体に記録する技術が開発されている。
例えば、特許文献１には、拡散層にレーザーや金型等を用いてパターンを形成することによって、拡散層自体にロット情報を記録する技術が開示されている。

特開２０１４−１９１８６７号公報

発明者らは、触媒層の製造方法について、以下の課題を見出した。
拡散層にパターンを形成する場合、触媒層にはロット情報が記録されていない。したがって、例えば、触媒層が拡散層から剥離した場合、触媒層は、ロット情報を失う。そこで、触媒層自体にパターン形成することによって、ロット情報を記録する。

触媒層にパターンを形成する方法として、例えば、触媒層にレーザーを照射する方法が考えられる。しかしながら、触媒層は、フッ素を含有している。したがって、触媒層にレーザーを照射すると、フッ素ガスが発生する。フッ素ガスは、有毒物質である。そのため、触媒層の製造方法において発生しないことが望ましい。

また、触媒層にパターンを形成する方法として、触媒層に金型を押圧する方法が考えられる。しかしながら、触媒層は、応力を加えられると、応力を受けた範囲の周縁部に亀裂が入る虞がある。つまり、金型で押圧すると、触媒層の発電領域等が破損する虞がある。

本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、有害物質の発生及び触媒層の破損を抑制しつつ、触媒層に識別パターンを形成することができる触媒層の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する一態様は、基材シートに触媒インクを塗工することによって、発電領域及び非発電領域を有する触媒層を形成する形成工程と、前記触媒層を電解質膜にローラーを用いて転写する転写工程と、を備える、触媒層の製造方法であって、前記形成工程において、前記非発電領域に対応する微細な凹凸領域が前記基材シートに設けられているか、又は、前記転写工程において、前記非発電領域に対応する凹部が前記ローラーに設けられていることによって、前記非発電領域に識別パターンが形成される。

本発明に係る触媒層の製造方法では、形成工程において、非発電領域に対応する微細な凹凸領域が基材シートに設けられているか、又は、転写工程において、非発電領域に対応する凹部がローラーに設けられていることによって、非発電領域に識別パターンが形成される。つまり、レーザー照射や金型による押圧を行うことなく識別パターンを触媒層に形成することができる。したがって、有害物質の発生及び触媒層の破損を抑制しつつ、触媒層に識別パターンを形成することができる。

本発明によれば、有害物質の発生及び触媒層の破損を抑制しつつ、触媒層に識別パターンを形成することができる触媒層の製造方法を提供することができる。

第１の実施の形態に係る触媒層の平面図である。 第１の実施の形態に係る触媒層の拡大平面図である。 第１の実施の形態に係る触媒層の製造方法を示すフローチャートである。 触媒層の形成装置の斜視図である。 触媒層の転写装置の斜視図である。 微細な凹凸領域が設けられた基材シートの平面図である。 触媒インクが塗工された基材シートの平面図である。 触媒層が転写された電解質膜の平面図である。 触媒層が電解質膜に転写された基材シートの平面図である。 第２の実施の形態に係る触媒層の製造方法を示すフローチャートである。 ローラーの斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（第１の実施の形態）
まず、図１及び図２を参照して、第１の実施の形態に係る触媒層の製造方法を用いて製造された触媒層（第１の実施の形態に係る触媒層）の構成について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る触媒層の平面図である。触媒層１は、図１に示すように、発電領域１ａ及び非発電領域１ｂを有する。また、触媒層１は、電解質膜２の上面に設けられている。図２は、第１の実施の形態に係る触媒層の拡大平面図である。非発電領域１ｂには、図２に示すように、識別パターン１ｃが設けられている。

なお、当然のことながら、図１及びその他の図面に示した右手系ｘｙｚ直交座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸正方向が鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。

触媒層１は、図１に示すように、電解質膜２の上面に貼付けられている。触媒層１の形状は特に限定されない。触媒層１は、例えば、図１に示すように、矩形状である。触媒層１は、触媒インクを用いて形成される。触媒インクは、炭素粒子と、炭素粒子に担持される金属粒子と、を含有する。金属粒子は、例えば、白金を用いて構成される。

触媒インクは、フッ素系樹脂を含有している。フッ素系樹脂が炭素粒子を被覆している触媒インクを用いて形成された触媒層１は、フッ素系樹脂を含有しない触媒層よりも、反応効率が良い。電解質膜２は、例えば、フッ素系樹脂等を用いて構成される膜である。電解質膜２は、触媒インクに含有されるフッ素系樹脂を用いて構成されることが好ましい。

触媒層１は、図１に示すように、発電領域１ａ及び非発電領域１ｂを有する。発電領域１ａは、触媒層１の中央に設けられている。非発電領域１ｂは、発電領域１ａの周囲に設けられている。発電領域１ａは、上面に拡散層（不図示）が設けられることによって、発電領域として機能する。発電領域１ａでは、拡散層と反応物質の授受が行われる。したがって、発電領域１ａは、反応物質を用いて発電することができる。

一方、非発電領域１ｂの上面には、拡散層や反応物質の流路が設けられない。したがって、非発電領域１ｂでは、反応物質の授受が行われない。つまり、非発電領域１ｂでは、発電が行われない。したがって、非発電領域１ｂの一部を切削しても、燃料電池の性能には影響が及ばない。

そこで、図２に示すように、非発電領域１ｂにロット情報を識別するための識別パターン１ｃを形成する。具体的には、非発電領域１ｂにおいて、触媒層の非形成領域を設けることにより、識別パターン１ｃを形成する。これによって、燃料電池の性能を低下させることなく、ロット情報を触媒層１に記録することができる。

識別パターン１ｃの形状は、ロット情報を記録することができる形状であれば、特に限定されない。識別パターン１ｃは、例えば、図２に示すように、バーコード形状である。この場合、複数の線状の非形成領域を設け、それぞれの非形成領域の太さや間隔等に変化をつけることで、識別可能なロット情報を表している。

識別パターン１ｃは、バーコード形状でなくとも、ドット形状であってもよい。さらに、図２では、非発電領域１ｂの一辺に識別パターン１ｃを形成した。しかしながら、識別パターン１ｃは、非発電領域１ｂの複数の辺に形成されてもよい。

次に、図３〜図９を参照して、第１の実施の形態に係る触媒層の製造方法について説明する。図３は、第１の実施の形態に係る触媒層の製造方法を示すフローチャートである。図４は、触媒層の形成装置の斜視図である。触媒層の形成装置３は、図４に示すように、ダイコーター５及びローラー６を備える。なお、図４においては、触媒層１及び基材シート４も図示している。また、図４において矢印の向きは、ローラー６が回転する方向を示す。

図５は、触媒層の転写装置の斜視図である。触媒層の転写装置７は、図５に示すように、ローラー８及び９を備える。なお、図５においては、触媒層１及び電解質膜２も図示している。また、図５において矢印は、ローラー８が回転する方向を示す。

ローラー８及び９は、基材シート４の上面に形成された触媒層１を、電解質膜２に転写することができる一対のローラーである。ローラー８及び９の少なくとも一方は、加熱ローラーである。ローラー８及び９は、図５に示すように、触媒層１が形成された基材シート４と電解質膜２とを挟持しつつ加熱することによって、触媒層１を電解質膜２に転写する。

図６は、微細な凹凸領域が設けられた基材シートの平面図である。基材シート４の上面には、図６に示すように、微細な凹凸領域４ｃが設けられている。図７は、触媒インクが塗工された基材シートの平面図である。図８は、触媒層が転写された電解質膜の平面図である。図９は、触媒層が電解質膜に転写された基材シートの平面図である。なお、図７〜図９には、触媒層１も図示している。

第１の実施の形態に係る触媒層の製造方法では、まず、基材シートに微細な凹凸領域を設ける工程（ステップＳ１１）を行う。具体的には、図６に示すように、基材シート４の上面に微細な凹凸領域４ｃを設ける。微細な凹凸領域４ｃを設ける方法は、特に限定されない。微細な凹凸領域４ｃは、例えば、レーザーを用いて設けられる。微細な凹凸領域４ｃの形状及び位置は、識別パターン１ｃを構成する触媒層１の非形成領域の形状及び位置に対応する。

微細な凹凸領域４ｃの形状は、ダイコーター５に投入される触媒インクのロット情報を反映している。ダイコーター５に投入される触媒インクのロット情報は、例えば、センサー（不図示）を用いて感知される。センサーにおいて感知された触媒インクのロット情報は、制御部（不図示）において変換されて、基材シート４に設けられる微細な凹凸領域４ｃに記録される。

次に、触媒層を形成する形成工程（ステップＳ１２）を行う。具体的には、微細な凹凸領域４ｃが設けられた基材シート４の上面に、ダイコーター５を用いて触媒インクを塗工する。形成工程（ステップＳ１２）を行う際には、図４に示すように、ローラー６を回転することによって、基材シート４を送りつつ、触媒インクを塗工する。

形成工程（ステップＳ１２）を行う際には、図７に示すように、微細な凹凸領域４ｃに識別パターン１ｃが対応するように触媒インクを塗工する。微細な凹凸領域４ｃは、他の領域に比較して、表面積が大きい。したがって、微細な凹凸領域４ｃに塗工された触媒インクは、他の領域に塗工された触媒インクよりも、基材シート４から剥離しにくい。

次に、触媒層を転写する転写工程（ステップＳ１３）を行う。具体的には、図５に示すように、ローラー８及び９を用いて、基材シート４の上面に形成された触媒層１を、電解質膜２に転写する。転写工程（ステップＳ１３）を行うと、微細な凹凸領域４ｃ以外に形成された触媒層１は、電解質膜２に転写される。したがって、図８に示すように、識別パターン１ｃが形成された触媒層１が、電解質膜２の上面に貼付けられる。微細な凹凸領域４ｃに形成された触媒層１は、電解質膜２に転写されない。そのため、微細な凹凸領域４ｃに形成された触媒層１は、図９に示すように、基材シート４の上面に残留部１ｄを形成する。

第１の実施の形態に係る触媒層の製造方法では、上記で説明した構成によって、触媒層１や電解質膜２に、レーザーを照射したり高い圧力を加えることなく、触媒層１に識別パターン１ｃを設けることができる。したがって、有害物質の発生及び触媒層１の破損を抑制しつつ、触媒層１自体に識別パターン１ｃを形成することができる。

触媒層１自体にロット情報を記録することができるため、例えば、電解質膜２から触媒層１が剥離しても、触媒層１は、ロット情報を保持することができる。また、触媒層１は、炭素粒子を含有しているため、有色である。したがって、触媒層１に識別パターン１ｃが形成されていることを目視で確認することができる。

第１の実施の形態に係る触媒層の製造方法では、触媒層１自体にロット情報を記録しているため、触媒インクのロット情報を、電解質膜２等のロット情報と、別途の情報として記録することができる。したがって、例えば、触媒インクのロット切替えのタイミングが電解質膜２等のロット切替えのタイミングと異なる場合であっても、触媒インクのロット情報及び電解質膜２のロット情報をどちらも記録することができる。

（第２の実施の形態）
次に、図１０及び図１１を参照して、第２の実施の形態に係る触媒層の製造方法について説明する。図１０は、第２の実施の形態に係る触媒層の製造方法を示すフローチャートである。図１１は、ローラーの斜視図である。ローラー８には、図１１に示すように、凹部８ｃが設けられている。

第２の実施の形態に係る触媒層の製造方法は、第１の実施の形態に係る触媒層の製造方法において示した基材シートに微細な凹凸領域を設ける工程（ステップＳ１１）を行わずに、図１０に示すように、ローラーに凹部を設ける工程（ステップＳ２１）を行う。その他の工程については、第１の実施の形態で説明した構成と同様であるため、重複した説明は適宜省略する。

第２の実施の形態に係る触媒層の製造方法では、まず、ローラーに凹部を設ける工程（ステップＳ２１）を行う。具体的には、図１１に示すように、軸方向に凹部の位置が異なる複数の部材を、ローラー８の表面の一部に埋め込むことによって、凹部８ｃを設ける。凹部８ｃの形状及び位置は、識別パターン１ｃを構成する触媒層１の非形成領域の形状及び位置に対応する。凹部８ｃの形状の切替えを行うタイミングは、基材シート４の端からの触媒層１の位置情報に基づいて行う。

次に、触媒層を形成する形成工程（ステップＳ２２）を行う。具体的には、基材シート４の上面に、ダイコーター５を用いて触媒インクを塗工する。なお、形成工程（ステップＳ２２）は、ローラーに凹部を設ける工程（ステップＳ２１）よりも先に行われてもよい。また、ローラーに凹部を設ける工程（ステップＳ２１）及び触媒層を形成する工程（ステップＳ２２）は、並行して行ってもよい。

次に、触媒層を転写する転写工程（ステップＳ２３）を行う。具体的には、ローラー８及び９を用いて基材シート４の上面に形成された触媒層１を、電解質膜２に転写する。転写工程（ステップＳ２３）を行う際には、ローラー８には、凹部８ｃが設けられている。したがって、凹部８ｃに対応する領域に形成された触媒層１には、転写に必要な圧力や熱が加えられない。したがって、凹部８ｃに対応する領域に形成された触媒層１は、電解質膜２に転写されない。

一方、凹部８ｃに対応する領域以外に形成された触媒層１は、ローラー８及び９によって挟持される際に十分な圧力及び十分な熱を受ける。したがって、凹部８ｃに対応する領域以外に形成された触媒層１は、電解質膜２に転写される。また、電解質膜２に転写される際に、凹部８ｃに対応する領域が識別パターン１ｃとなる。

第２の実施の形態に係る触媒層の製造方法では、上記で説明した構成によって、触媒層１や電解質膜２にレーザー照射や高い圧力を加えることなく、触媒層１に識別パターン１ｃを設けることができる。したがって、有害物質の発生及び触媒層１の破損を抑制しつつ、触媒層１自体に識別パターン１ｃを形成することができる。そのため、触媒層１自体にロット情報を記録することができる。第２の実施の形態に係る触媒層の製造方法によって製造された触媒層は、第１の実施の形態で説明した効果と同様の効果を奏することができる。

以上で説明した実施の形態に係る発明によって、有害物質の発生及び触媒層の破損を抑制しつつ、触媒層に識別パターンを形成することができる触媒層の製造方法を提供することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ 触媒層
１ａ 発電領域
１ｂ 非発電領域
１ｃ 識別パターン
１ｄ 残留部
２ 電解質膜
３ 触媒層の形成装置
４ 基材シート
４ｃ 微細な凹凸領域
５ ダイコーター
６ ローラー
７ 触媒層の転写装置
８ ローラー
８ｃ 凹部
９ ローラー

Claims (1)

1. 基材シートに触媒インクを塗工することによって、発電領域及び非発電領域を有する触媒層を形成する形成工程と、
   前記触媒層を電解質膜にローラーを用いて転写する転写工程と、を備える、触媒層の製造方法であって、
   前記形成工程において、前記非発電領域に対応する微細な凹凸領域が前記基材シートに設けられているか、又は、前記転写工程において、前記非発電領域に対応する凹部が前記ローラーに設けられていることによって、前記非発電領域に識別パターンが形成される、触媒層の製造方法。

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